两相横流作用下的旋转三角形管束流弹失稳研究

为了较为准确的预测两相流作用下圆柱管的失稳临界流速，采用试验测量的两相流准稳态流体力系数，对单向流的准稳态模型进行扩展，建立了气-水两相流作用下的旋转三角形管束中间悬臂自由管的动力学模型，运用Galerkin方法对方程变量进行离散后，求解特征方程得到了不同空泡份额的临界流速，并运用龙格-库塔法求解动力学方程得到位移时程响应。数值结果表明，临界流速随着空泡份额的增大而增大，且所建模型计算结果与试验测量值较为吻合。因此，本研究所建模型可用于两相横流作用下的旋转三角形管束流弹失稳临界流速预测。      

非稳态流体力作用下两相流管束流弹失稳研究

流弹失稳会引起传热管振幅过大而发生磨损破坏,是两相流作用下蒸汽发生器管束流致振动的重要机理。为了较为准确地预测两相流作用下圆柱管的失稳临界流速,对试验测量的两相流非稳态流体力进行参数拟合,建立了气-水两相流作用下单管的动力学模型。通过无量纲化,运用Galerkin方法对方程变量进行离散后,联立求解方程得到了不同空泡份额的临界流速。数值结果表明,数值解与试验测得失稳临界流速较为吻合,验证了该模型可用于两相流传热管临界流速的预测。      

基于UDF的二维管束流弹失稳模拟研究

针对现有流弹失稳模拟研究中的流固耦合模型存在计算精度较低、计算成本巨大的问题,建立了一种可以预测管束临界流速的二维单向流固耦合模型,该模型基于商用ANSYS Fluent软件,通过SST k-ω湍流模型进行流场计算,再由自编译的用户自定义函数（UDF）提取管子所受的流体力,并利用4阶Runge-Kutta法求解结构动力学方程实现单向流固耦合计算。利用该模型对节径比为1.5的转角三角形排布管束进行了流固耦合计算,得到了中心管的临界流速、振幅时程曲线及振幅频谱图,并通过水洞实验进行了验证。结果表明,本模型以较低的计算成本准确地预测了临界流速,同时也获取了管子真实的振动特征,模拟计算的中心管振幅时程曲线及振幅频谱均与实验相近。此外,模拟计算获取的阻力和升力系数数据表明,随着流速增大,阻力和升力系数时程曲线经历了从紊乱到规律的变化,换算流速达到2.44时,阻力和升力系数主频包含管子在静水中固有频率的成分。     

蒸汽发生器传热管束流弹失稳现象中的基础力学问题研究

为探讨管束的流弹失稳机理以及支承方式、内流载荷对流弹失稳的影响机制,本文综合考虑定常流弹力、内流激励和非定常流体力对传热管流致振动的影响,建立了复杂流体激励作用下传热管流致振动的理论模型,通过特征值稳定性理论获得了两相横流作用下的传热管流弹失稳机制,系统地分析了内流激励和非定常流体力对传热管流弹失稳机制的影响。研究表明,支承方式会影响失稳临界流速,但不会影响流弹失稳机制;管内流会使管束各阶模态耦合,高速内流会改变管束的失稳机制;非定常流体力作为一种强迫力在流弹失稳之前,可能引起管束的“拍振”现象,在工程设计时应考虑避免。     

VVER反应堆燃料组件流动传热特性CFD分析

采用计算流体力学（CFD）方法对俄罗斯水-水高能反应堆（VVER）先进燃料组件（AFA）的流动传热特性进行模拟,获得了额定工况下燃料组件冷却剂流场、流动压降和温度分布等。结果表明:与内部含交混翼的格架相比,AFA燃料组件定位格架的压力损失较小;定位格架围板导向翼附近存在滞流现象,导致燃料组件外围区域冷却剂温度偏高;不同的测量管周向棒功率比K_c对燃料组件出口冷却剂温度的测量值有较大影响。该分析结果可为核电厂堆芯温升预警值ΔT_t的设定提供参考。      

基于CFD方法的高温热管特性研究

高温热管运行特性的分析与预测,对热管设计和应用具有重要意义。为分析高温热管内两相流动传热特性,首先建立钠热管的计算流体力学（CFD）分析模型,并对模型计算值与钠热管稳态实验数据进行对比校核,模拟结果与实验测点温度的绝对误差小于40℃,相对误差在5%以内;其次,利用本文模型与方法对不同传热功率和倾角下的热管内部流场特性进行分析研究。研究表明,均匀加热条件下,蒸气腔内的速度在蒸发段接近线性变化,而在冷凝段,气体流速减小致使压强回升,同时,蒸气的流动压降和速度随加热功率增加呈下降趋势;在热管水平和倾角运行工况,热管内两相流动压降中液相压降均占主导;而气液间剪切效应中,气体流动速度为主导效应。本文模型可为热管堆等高温热管应用领域提供热管设计与分析方法。     

基于CFD的铅基快堆单盒燃料组件堵流事故分析

铅基快堆在运行过程中产生的腐蚀产物有可能会在堆内沉积,导致堵流事故的发生。基于计算流体力学（CFD）软件 Ansys Fluent 分析了不同堵块面积、堵块厚度、堵块类型以及堵块位置对堵流事故中传热以及流场性质的影响规律。结果显示,堵块面积的增加会增加回流区域面积,使得温度回落更慢,传热恶化显著;堵块厚度的增加将导致冷却剂和包壳最高温度上升,极易导致包壳损坏;多孔介质堵块内冷却剂以较低流速通过,缓解了堵块造成的影响,其危害小于实心堵块;堵流发生在组件活性区中部与发生在活性区出、入口相比所造成的局部温升更加明显,危害更大。     

基于改进BP神经网络的节流孔板空化特性预测

为高效地获取核级管道中节流孔板附近的空化特性,构建了可靠的改进反向传播（BP）神经网络预测模型。首先提取了节流孔板的几何特征参数,并使用拉丁超立方抽样（LHS）方法生成了上述几何特征参数的样本库;然后通过计算流体力学（CFD）方法得到了各个样本对应的最小空化数,以该无量纲参数作为输出响应;最后针对原始BP神经网络预测模型的不足,结合遗传算法建立了节流孔板空化特性的改进预测模型。结果表明,孔板开孔直径和前开角度对最小空化数具有较强的全局敏感度;通过遗传算法优化后的BP神经网络预测模型的预测精度得到了大幅提升,误差均方根降低约36.4%。     

高压空气冷却器管束冲蚀破坏的数值模拟及其结构优化

针对高压空气冷却器管束易发生由腐蚀引起的泄漏事故,本文以某公司高压空气冷却器为例,应用计算流体力学(CFD)商用软件Fluent对空气冷却器管束内的流动进行了模拟.计算过程采用标准k-ε湍流模型及SIMPLEC算法.分析了流体力学冲刷对腐蚀过程的作用,并找出管道冲蚀破坏严重的位置.计算模拟结果与实际管道的检测结果吻合较好.同时,本文研究了不同过渡结构的管束内流体的流动特性,为空气冷却器管束的结构优化提供了一定的依据.     

辅助给水系统泵综合性能试验的理论计算与建模分析

中国改进型三环路压水堆（CPR1000）辅助给水系统（ASG）泵综合性能试验结果不满足监督要求时,需要对管路系统中的节流元件进行调整。简要介绍该试验中节流元件的调整原理,通过工程流体力学理论计算与计算流体动力学（CFD）建模分析得到节流元件的调整结果。通过2种分析方法的对比可以发现理论计算结果与建模分析结果具有较好的一致性。根据理论计算与建模分析方法各自的特点,在工程中可以根据实际需要选择最为简便的方法。      

基于数据驱动的管束结构流固耦合动力学建模

传热管束是压水堆蒸汽发生器的核心部件,容易发生流致振动问题。在流致振动机理中,漩涡脱落和流弹失稳是典型的强流固耦合问题,无法将结构场与流场解耦求解。为更好地完成蒸汽发生器中管束结构的力学设计,本文通过数据驱动的方式,完成了漩涡脱落和流弹失稳2种流致振动机理的流固耦合动力学建模,并用现有试验数据进行验证,预测结果与试验符合较好。本文方法结合了理论模型的严谨性和计算流体动力学（CFD）计算可考虑实际结构动力学特征的优点,既避免了复杂管束三维流固耦合模拟对海量计算资源的需求,又降低了传统理论模型对于试验数据的依赖,有利于在工程中推广应用。     

垂直上升横掠水平管束的两相流空泡份额模型研究

与管内两相流空泡份额模型相比,垂直上升横掠水平管束的两相流空泡份额研究成果相对有限。利用垂直上升的气-水两相流横掠水平管束的实验数据,对现有的空泡份额计算模型进行对比分析,并对2种现有模型的拟合公式进行修正。采用其他实验结果对本文重新修正的空泡份额模型进行验证,结果表明:与原始模型相比,修正的空泡份额计算模型给出的空泡份额预测值更好。     

不同管径与倾角下单管和管束外含空气蒸汽冷凝对比分析

为评估不同传热管结构参数下单管与管束外含空气蒸汽冷凝传热规律的差异,基于外径12~19 mm、倾角0°~90°的单管和3×3管束在压力0.2~1.6 MPa、空气质量份额12%~87%的参数范围内开展了试验研究。结果表明：不同压力范围内,管径和倾角对单管和管束的影响呈现不同的规律。在压力小于0.8 MPa时,管束冷凝传热受管径和倾角影响的规律与单管总体一致,两者的冷凝传热系数均随管径和倾角的减小而增大。在0.8~1.6 MPa时,管束冷凝传热受管径和倾角的影响与单管存在明显差异。结合不凝性气体影响蒸汽冷凝传热的机制对所呈现的一致性和差异性规律进行了分析。     

基于OpenFOAM的管束流固耦合模拟与数据驱动建模

为实现开源工具OpenFOAM在管束流固耦合行为预测方面的应用,针对OpenFOAM缺乏大涡模拟验证的综合基准案例、缺乏基于OpenFOAM仿真数据的参数辨识方法和数据驱动建模方法问题,首先通过研究基准问题来定量比较OpenFOAM中大涡模拟的性能,重点讨论统计时间长度、计算域大小与形状、网格划分方式、壁面函数对结果的影响规律,并将数值结果与实验数据进行验证,获得了合理的流场分析模型;然后,将运动方程与流场计算相耦合,求解具有移动边界的非定常Navier-Stokes(uRANS)方程,实现管束的流固耦合仿真,成功捕捉到了管束的流固耦合特征,并以流管模型为例,实现了关键参数辨识和数据驱动建模。结果表明,大涡模拟中,达到统计收敛至少需180个漩涡脱落周期;升力、回流长度对网格分辨率较为敏感,漩涡脱落频率、圆柱表面压力对计算域较为敏感;对于尾流区的统计量分布,网格分辨率的影响更为显著;计算域形状的影响可以忽略;通过数据驱动建模方式计算的临界流速与实验值吻合较好。     

基于CFD方法的行波堆燃料组件燃烧区热工流体特性研究

采用计算流体力学（CFD）方法对行波堆燃料组件7棒束、19棒束及37棒束模型进行计算分析,发现行波堆燃料组件内冷却剂温度随轴向高度增加逐渐升高的同时具有逐渐向中心区域聚集的效应,组件出口区域垂直于流动方向的截面冷却剂温度分布差别很大,对边距约为26 cm的组件中心区域与外围区域最大温差超过100 ℃。组件内较大的冷却剂温度梯度主要出现在组件最外两圈燃料棒及组件盒之间的区域,而其他区域温度梯度较小,该结论可初步推广到有217根燃料棒的行波堆燃料组件。现有行波堆燃料组件结构需进一步优化。     

Evaluation of a numeric procedure for flow simulation of a 5 × 5 PWR rod bundle with a mixing vane spacer

The fuel assemblies of the Pressurized Water Reactors (PWR) are constituted of rod bundles arranged in a regular square configuration by spacer grids placed along its length. The presence of the spacer grids promote two antagonist effects on the core: a desirable increase of the local heat transfer downstream the grids and an adverse increase of the pressure drop due to the constriction on the coolant flow area. Most spacer grids are designed with mixing vanes which cause a cross and swirl flow between and within the subchannels, enhancing even more the heat transfer performance in the grid vicinity. The improvement of the heat transfer increases the departure from the nucleate boiling ratio, allowing higher operating power in the reactor. Due to these important thermal and fluid dynamic features, experimental and theoretical investigations have been carried out in the past years for the development of spacer grid design. More recently, the Computational Fluid Dynamics (CFD) using three dimensional Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) analysis has been used efficiently for this purpose. Many computational works have been performed, but the appropriate numerical procedure for the flow in rod bundle simulations is not yet a consensus. This work presents results of flow simulations performed with the commercial code CFX 11.0 in a PWR 5 × 5 rod bundle segment with a split vane spacer grid. The geometrical configuration and flow conditions used in the experimental studies performed by Karoutas et al. were assumed in the simulations. To make the simulation possible with a limited computational capacity and acceptable mesh refinement, the computational domain was divided in 7 sub-domains. The sub-domains were simulated sequentially applying the outlet results of a previous sub-domain as inlet condition for the next. In this study the k-ε turbulence model was used. The simulations were also compared with those performed by Karoutas et al. in half a subchannel and In et al. in one subchannel computational domains. Comparison between numerical and experimental results of lateral and axial velocities along of the rod bundle show good agreement for all evaluated heights downstream the spacer grid. The present numerical procedure shows better predictions than Karoutas et al. model especially further from the spacer grid where the peripheral subchannels have more influence in the average flow.     

搅混翼定位格架排布方式对5×5棒束通道热工水力特性影响的CFD研究

为探究棒束通道定位格架的最优排布方式,本文采用计算流体动力学（CFD）方法对包含3个格架部件的5×5棒束通道进行流场和温度场的数值仿真,研究格架轴向间距以及格架相对转角对通道阻力和传热特性的影响,并从对流传热的角度分析造成不同结果的原因。研究表明,在本文设计的计算工况下,改变格架轴向间距对棒束阻力和传热特性的影响较小;将中间格架在横截面内相对两端格架旋转90°放置能够有效降低横截面温度分布的不均匀性,减小横截面最高温度。     

CFD方法在棒束定位格架热工水力分析中的应用研究

利用UG、CFX程序和计算流体力学(CFD)方法对AFA-2G组件5×5棒束定位格架进行了几何建模和通道内单相水三维流场数值模拟,包括特定流速下流场的定性和定量分析、不同流速下的阻力特性分析等.将分析结果与相应试验结果进行了比较,结果表明:采用合理的结构简化、恰当的物理模型和数值求解算法,CFX程序能较好地模拟棒束定位格架通道内的单相水三维流场,其模拟结果与试验结果符合较好.     

双弹性管流固耦合振动的数值模拟

为研究反应堆结构中诸如燃料棒、蒸汽发生器和其他换热器等管束类结构的流固耦合振动问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,建立了三维流体诱发弹性管束振动的数值模型,实现了计算结构动力学与计算流体力学之间的双向耦合。得到横流作用下单管的振动响应,并与已有的实验数据比较,证明了本文模型的合理性;对横流作用下的两串列管、两并列管的流固耦合振动进行了数值模拟,着重研究了节径比为1.2、1.6、2、3、4的两弹性管在不同流速作用下的动力学响应及流场特性;得到串列管、并列管的临界间距与临界流速。